И вот в очередном полете самолет вошел в плоский штопор, штопор-стресс. На рекомендованные действия рулями самолет не реагировал и из штопора не выходил. Я с тоской посмотрел на кнопки с надписями: "Вывод из левого штопора». «Вывод из правого штопора». Кнопки были, а ракет не было. А самолет идет к земле со скоростью 100 метров в секунду… Крайний дефицит высоты и времени. Еще одна непредусмотренная заданием импровизированная попытка, и вращение прекратилось… После анализа записей приборов возникло предположение, что я из-за малого опыта действовал рулями не самым лучшим образом. Следующий полет поручили сделать многоопытному Анохину, но уже с ракетами. И в первом же его полете опять плоский штопор. Опять вывод рулями не удался Самолет был выведен ракетами. Анохин очень лестно оценил мои действия. Из этого случая стало ясно, что главный результат иногда выявляется не в начале испытаний, а «под занавес» Можно сказать, что поторопился с заключением летчик фирмы, поторопились специалисты ЦАГИ, поторопился с решением и я. А еще стало ясно, что начинать испытания без ракет нехорошо». Итогом этой сложной работы стал комплекс летных ограничений и рекомендаций строевым летчикам, позволяющий избежать попадания в этот опасный режим полета.
С 25 июня 1960 г. по 20 апреля 1961 г. в ГК НИИ ВВС на двухсерийных МиГ-21 Ф № 72210206 и № 72210207 отрабатывалось применение бомбового и неуправляемого ракетного вооружения. Ведущим летчиком-испытателем был М.Х. Халиев, ведущими инженерами по испытаниям – В.К. Ефимов и Н.В. Горохов. Всего было выполнено 114 полетов с общим налетом 50 часов. В итоге авиационная система вооружения АС-24 с ракетой С-24 калибром 240 мм дополнила арсенал МиГ-21 Ф. до того включавший, помимо пушек, лишь 57-мм НАР и бомбы массой 50, 100. 250 или 500 кг.
С осени 1959 г. несколько серийных МиГ-21 Ф подключили к испытаниям системы ракетного вооружения «воздух-воздух» К-13. В частности, одна машина с красным бортовым номером «31» после оснащения пусковыми устройствами АПУ-13Д и внесения изменений в состав оборудования стала называться Е-6Т/1, после аналогичных доработок другой самолет с красным бортовым номером «32» получил название Е-6Т/2. Эта машина приняла участие в ГСИ системы К-13, сбив 2 мишени МиГ-15М. Еще один самолет, Е-6Т/3 (без бортового номера), оснащенный пусковыми устройствами, использовался для отработки бортового оборудования, в частности, автопилота.
Успешные пуски в ходе ГСИ системы К-13 позволили Постановлением Совета Министров СССР от 2 февраля 1960 г. передать новую ракету в серийное производство на заводы № 43 в Москве и № 485 в Киеве. В связи с тем, что создание полноценного перехватчика на базе МиГ-21 затягивалось (об этом – далее), параллельно решили оснастить управляемыми ракетами серийный МиГ-21 Ф. Уже в июле 1960 г. завод в Горьком выпустил первую серию истребителей-ракетоносцев, получивших обозначение МиГ-21Ф-13 («изделие 74»). От предшественников они отличались отсутствием левой пушки (боезапас правой был сокращен до 30 снарядов) и установкой под каждой консолью крыла пусковых устройств АПУ-28, которые в процессе производства были заменены на АПУ-13 для управляемых ракет с тепловыми ГСН.
Интересно отметить, что Госиспытания МиГ-21 Ф-13 не проводились, так как его основное оружие – ракеты К-13 – считалось не соответствующим требованиям. (Уже велись работы, правда, с большой задержкой, над усовершенствованной ракетой К-13А с необходимым диапазоном дальностей пуска). Тем не менее, «эф-тринадцатый» стал первым по-настоящему массовым вариантом МиГ-21. До конца 1960 г. завод № 21 выпустил 132 серийных «изделия 74», в 1961 г. – еще 226, в 1962 г. – 155. В том году выпуск машины освоил Московский машиностроительный завод № 30 «Знамя труда», который производил ее еще 3 года. «Изделие 74» с небольшими изменениями выпускалось также в ЧССР (построено 194 машины) и КНР. По ходу производства конструкция МиГ-21Ф-13 несколько изменилась. Так, после выпуска первых 134 самолетов хорды киля стали заметно больше. Самолет был принят на вооружение Постановлением ЦК КПСС и Совмина СССР № 1133-476 от 27 октября 1960 г.
Серийные истребители МиГ-21Ф-13 с ракетами К-13 были впервые продемонстрированы во время воздушного парада 9 июля 1961 г. в Тушино, после чего в НАТО самолет получил кодовое обозначение Fishbed-C (как и МиГ-21Ф), а ракета – АА-2 «Atoll».